Download - Proses Produksi Sel Surya Silikon
Proses Produksi Sel Surya Silikon
Rhidiyan Waroko
0806331935
Departemen Teknik Metalurgi dan Material
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Outline
• Pendahuluan
• Mekanisme Kerja• Mekanisme Kerja
• Proses Produksi• Metallurgical Silicon Production
• Poly-crystalline Silicon Production
• Silicon Wafers• Silicon Wafers
• Solar Cells
• Referensi
Pendahuluan
Pemerintah berusaha untuk mencari sumber
energi terbarukan untuk mengganti peran
sumber energi yang tidak terbarukan.sumber energi yang tidak terbarukan.
Matahari memancarkan energi yangMatahari memancarkan energi yang
sangat besar ke bumi (3 × 1024
Estimasi yang ada sekarang bahwa jika 0.1%
permukaan bumi ditutupi solar sel, maka
efisiensi penyerapan energi matahari sekitar
10% dan akan cukup untuk memenuhi
kebutuhan energi (Gratzel, 2003, 2005).sangat besar ke bumi (3 × 10
J/year). Energi sebesar itu dapat
mengatasi masalah kebutuhan energi
saat ini dan masa depan.
Energi matahari sangat besar, memiliki
intensitas 1000 W/m2
Masalahnya, ongkos produksi energi terbarukan ini sangat tinggi, yaitu sekitar $1.20 per
peak Watt.
Pendahuluan
Langkah utama, mengembangkan teknologi untuk meningkatkanLangkah utama, mengembangkan teknologi untuk meningkatkan
efisiensi. Secara teori, efisiensi tertinggi yang dapat dicapai adalah sekitar
30% (Shockley & Queisser, 1961).
Akumulasi kapasitas solar sel di dunia mencapai 2.54 GW pada 2006;
89.9% menggunakan mono atau multi-crystalline silicon wafer
technology, 7.4% menggunakan thin film silicon, and 2.6%
menggunakan direct wafering (Neuhaus & Munzer, 2007).
Material Silikon Memiliki Propertis:
� Disimbolkan dengan Si
Mekanisme Kerja Sel Surya
� Disimbolkan dengan Si
� Memiliki konfigurasi elektron [Ne]3s2 3p2
� Unsur silikon memiliki nomor atom 14
� Berat molekul 28.086
� Radius molekul 117 pm
� Melting point di 1425o C� Melting point di 1425o C
� Boiling point di 3245o C
� Memiliki bilangan oksidasi 2,4 dan -4
�Semikonduktor dibagi 2 yaitu:
a. Semikonduktor Intrinsik
Mekanisme Kerja Sel Surya
a. Semikonduktor Intrinsik
� Semikonduktor murni yaitu silikon
atau germanium
� Kedua unsur tersebut memilki gab
energy, yaitu 1,1 eV untuk silikon
dan 0,7 eV untuk germanium
� Pada daerah yang ditempati� Pada daerah yang ditempati
elektron, akan menjadi muatan
negatif.
� Kedua muatan itu akan
berkontribusi terjadinya aliran
listrik pada semikonduktor
b. Semikonduktor Ekstrinsik
� Bahan semikonduktor murni tidak dapat
Mekanisme Kerja Sel Surya
� Bahan semikonduktor murni tidak dapat
menghantarkan arus listrik dengan baik karena
keterbatasan jumlah elektron bebas dan hole-nya.
� Oleh sebab itu, pemodifikasian semikonduktor
diperlukan yaitu dengan menambahkan unsur lain.
Hal ini akan meningkatkan jumlah pembawa arus.
� Jenis semikonduktor ekstrinsik ada 2, yaitu:� Jenis semikonduktor ekstrinsik ada 2, yaitu:
� Tipe N
� Tipe P
Tipe N
�Dengan menambahkan unsur
Mekanisme Kerja Sel Surya
�Dengan menambahkan unsur
pentavalen (golongan 5A). Yaitu :
arsenic (As), bismuth (Bi) dan
antimony(Sb).
�Tiap pentavalen berikatan kovalen
dengan 4 atom silikon, sehingga
terdapat 1 elektron pentavalenterdapat 1 elektron pentavalen
yang lepas.
�Elektron tersebut menjadi
pembawa mayoritas.
Tipe P
�Dengan menambahkan unsur
Mekanisme Kerja Sel Surya
�Dengan menambahkan unsur
trivalen (golongan 3A). Yaitu:
boron(b), indium (In) dan gallium
(Ga)
�Tiap trivalen berikatan secara
kovalen dengan 4 atom siliko,
sehingga ada 1 hole yang terbuat.sehingga ada 1 hole yang terbuat.
�Hole tersebut menjadi pembawa
mayoritas
�Daerah pertemuan P dan N, disebut pn junction.
�Elektron pada daerah N akan tertarik ke arah P
Mekanisme Kerja Sel Surya
�Elektron pada daerah N akan tertarik ke arah Pdan jatuh di hole, sehingga daerah di kiri N akanmenjadi positif dan daerah di kanan P akanmenjadi daerah negatif.
Mekanisme Kerja Sel Surya
Proses Produksi
Metallurgical Silicon Production
• Produksi silikon dimulai dengan carbothermic reduction dari silicates dengan• Produksi silikon dimulai dengan carbothermic reduction dari silicates dengan
electric arc furnace.
• Pada `proses ini menggunakan energi listrik yang besar untuk memutus ikatan
silicon–oxygen bond pada SiO2 dengan reaksi endothermic dengan carbon.
Lelehan Si-metal akan berada dibawah furnace sedangkan CO2 dan partikel halus
SiO2 akan hilang terbawa flu-gas.
Metallurgical Silicon ProductionPenggunaan bio-reaktor dipilih karena memiliki complex dynamics tetapi relative optimal
untuk input proses yang sedikit.
Bahan baku berupa (SiO2), carbon, dan
woodchips digunakan untuk filler,
dimasukkan dari atas furnace. Electricity
disuplai dari tiga electroda yang
menyediakan energy untuk menghasilkan
temperatur tinggi untuk melelehkan silikon
dan membuat reaksi dengan karbon
membenrtuk COg, SiOg dan Sil.
Tiga tahapan reaksi yang terjadi dalamTiga tahapan reaksi yang terjadi dalam
furnace adalah
2C(s) + SiO(g) = SiC(s) + CO(g) (R1)
Si + SiO2 = 2SiO(g) (R2)
SiC(s) + SiO(g) = 2Si(l) + CO(g) (R3)
Poly-crystalline Silicon Production
• Poly-silicon kebanyakkan diproduksi dengan pyrolysis TCS dengan reactors yang
biasa disebut Bell atau Siemens reactors.
• Highly pure poly-silicon cocok untuk solar cells dan microelectronics dan di• Highly pure poly-silicon cocok untuk solar cells dan microelectronics dan di
produksi dengan dua langkah. Langkah pertama, MG-Si bereaksi dengan HCl to
membentuk variasi chlorosilanes, termasuk tri-chlorosilane (TCS). TCS memiliki
boiling point pada 31.8 ◦ C maka dapat dimurnikan dengan distilasi
Poly-crystalline Silicon Production
• Terjadi dua proses alternatif. Pertama,
MG-Si bereaksi dengan HCl untuk
membentuk chlorosilanes, termasuk tri-membentuk chlorosilanes, termasuk tri-
chlorosilane (TCS). TCS memiliki boiling
point pada 31.8 ◦ C maka dapat
dimurnikan dengan distilasi :
Si + 3HCl → HSiCl3 + H2
• Setealh permurnian dengan distilasi,
silikon murni diproduksi dengan
dekomposisi thermal pada 1150◦ C :
2HSiCl → Si + 2HCl + SiCl2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
• Proses lain yaitu mengubah trichlorosilane
(TCS) menjadi silane dengan
disproportionation. silane
terdekomposisi sebagai berikut:
SiH4 → Si + 2H2
Poly-crystalline Silicon Production
• Pyrolysis process telah
dirancang untuk menampungdirancang untuk menampung
volume produksi poly-silicon
yang tinggi. Reaksi
pemisahan dan kompleks
termasuk simple distillation
telah digunakan untuk
reduce energy.
• Rute alternatif untuk produksi• Rute alternatif untuk produksi
silikon solar sel telah
dilakukan. Misalnya leaching,
pirometalurgi dan kristalisasi
dari slag alumunium.
Silicon Wafers
• Langkah berikutnya, memproduksi thin wafers of siliconyang memiliki propertis ketebalan 200–350 mm danresistivitas 1 W/cm. Teknologi saat ini mampu memotongresistivitas 1 W/cm. Teknologi saat ini mampu memotongsilikon hingga ketebalan 180 mm. Wafer tipismenguntungkan karena kebutuhan material yang semakinsedikit, namun tidak bisa terlalu tipis juga karena silikonsangat brittle dan akan sulit untuk diproses. Kebanyakkanproses wafering yang digunakan adalah dengan melelehkandan re-solidifying silikon murni.
• Proses Czochralski (CZ) memproduksi single crystallinesilicon rods/ingots dengan metode slowly pulling out arotating seed crystal dari wadah lelehan.
Silicon Wafers
• The CZ process membuthkan energi tinggi karenalelehan harus ditahan pada temperatur tinggi, kira-kiraselama dua hari untuk menghasilkan ingot singlelelehan harus ditahan pada temperatur tinggi, kira-kiraselama dua hari untuk menghasilkan ingot singlesilikon.
• Salah satu kekurangan dari CZ and Bridgman processesadalah menggunakan kawat untuk memotong silikon.Kawat yang digunakan memiliki ketabalan yang hampirsama dengan ketebalan wafer silikon yang dihasilkansehingga dapat menghasilkan 50% material hilang.sehingga dapat menghasilkan 50% material hilang.
• Masalah utama untuk menemukan metode produksiwafer lain adalah masalah kemurnian dan efisiensiyang lebih tinggi dibanding dengan CZ process.
Silicon Wafers
The edge-defined film fed growth (EFG) process
•Menggunakan grafit untuk
The string ribbon process
•Menghasilkan multi-
the ribbon growth on substrate (RGS) process
•Silikon ditempatkan di•Menggunakan grafit untukdie sebagai parameter ketebalan sheet silikon
•Dapat mensimulasikanmodel proses secara 3D dengan menghitug efekdari elektromagnetik danthermal.
•Menghasilkan multi-crystalline silicon strips dengan menekan high-temperature resistant wires ke dalam molten silicon
•Seperti EFG, proses string ribbon menggunakansedikti dibandingkanmetode wafer lain.
• Namun, menghasilkanefisiensi solar sel yang rendah, sekitar 14% dari
•Silikon ditempatkan disubstrate yang bergerak, misalkan plat alumina yang dilapisi oleh silikon nitrit.
•Silikon dimasukkan dalamkeadaan serbuk laludilelehkan diatas substrat, atau metode lain dengandilelehkan dulu barudiletakkan diatas substrat.
•Lelehan silikon akandidinginkan secara
efisiensi solar sel yang rendah, sekitar 14% dariproses industri. Dalamlaboratorium mencapai18%.
•Lelehan silikon akandidinginkan secaraperlahan dan membentuksheet sebelum kemudianditempatkan di belt.
•Salah satu keuntungannyayaitu mampu untukmencapai produksi besardengan biaya rendah.
Silicon Wafers
• Metode lain adalah the Pilkington float glass (PFG) process dengan
membuat flat glass.
• Dapat dibagi menjadi beberapa segmen, yaitu:
Langkahpertama,
lelehkan bahanLelehan
dialirkan ke tin Silikon akanmengapung
Silikondidinginkan
sampaiviskositas yang
Anealing secaraperlahan untukmenghilangkan
lelehkan bahanbaku hingga
2200 ◦F.
dialirkan ke tin bath.
mengapungdiatas
viskositas yang cukup untuk di
pulling
menghilangkanstress sisa
Silicon Wafers
• Produksi dari metode tersebut mencapai 600 ton dari silikon flat per hari.
Ketebalan 2 mm dan lebar 3 m.
Solar Cells
• Tahap berikutnya adalah pembuatan solar sel.
Langkah pertama, wafer harus direaksikanLangkah pertama, wafer harus direaksikan
dengan zat kimia untuk meningkatkan
propertis optik dan elektrik. Silikon,
merupakan elemen group 4, di doping
dengan elemen group 3 dan 5 seperti boron,
phospor, untuk menghasilkan positif danphospor, untuk menghasilkan positif dan
negatif junction sebagai media elektron
mengalir.
Solar Cells
• Proses dopping electron untuk meningkatkankonduktivitas bahan semikonduktor.konduktivitas bahan semikonduktor.
• Dopant yang biasa digunakan:
– Tipe N: arsenic (As), bismuth (Bi) dan antimony (Sb)
– Tipe P: boron (B), indium (In) dan gallium (Ga)
• Metode dopping:• Metode dopping:
– Difusi
– Implantasi ionik
Difusi Implantasi ionik
Solar Cells
Memasukkan wafer ke dalam
tungku pembakaran,
kemudian gas doping masuk
melewati permukaan.
Atom doping dimasukkan ke
dalam silikon menggunakan
berkas elektron (electron
beam).
-
Memungkinkan untuk
menempatkan atom pada
kedalaman tertentu.
Lebih rumit Lebih sederhana
Lebih murah Lebih mahal
Solar Cells
Proses photomasking untuk memindahkan pola
pada wafer
Solar Cells
• Deposisi Logam digunakan• Deposisi Logam digunakan
untuk meletakkan sebuah
lapisan logam pada permukaan
wafer (memodifikasi
permukaannya).
• Teknik yang biasa digunakkan• Teknik yang biasa digunakkan
adalah sputtering.
Solar Cells
• Proses Etsa untuk menghilangkan lapisan tertentu pada pola sirkuit yang
ditentukan pada proses photomasking.
• Teknik etsa:
– Etsa basah: menggunakan zat kimia
– Etsa kering atau plasma: menggunakan gas terionisasi
Solar Cells
Pemeriksaan wafer terdiri dari dua tes yang berbeda:
• Uji parametric proses: uji ini dilakukan pada beberapa sampel dan • Uji parametric proses: uji ini dilakukan pada beberapa sampel dan
memeriksa proses pembuatan wafer itu sendiri.
• Uji pemeriksaan wafer: uji ini memverifikasi fungsi dari produk jadi dan
fungsinya.
• Cetakan buruk secara otomatis akan ditandai dengan titik hitam sehingga
dapat dipisahkan dari cetakan yang baik.
Referensi
• S. Ranjan, S. Balaji, Rocco A. Panella, B. Erik
Ydstie.”Review : Silicon solar cell production”.Ydstie.”Review : Silicon solar cell production”.
Computers and Chemical Engineering 35
(2011) 1439– 1453